R.FüßEL，M.GUDE，A.LANGKAMP，W.HUFENBACH

(德累斯顿工业大学轻型结构与合成材料研究所，德国德累斯顿 D-01307)

为了不断开发更加节能环保的交通工具，需要采用更具竞争力的轻型结构材料。在航空、航天器，汽车等制造领域，采用纤维增强和织物增强的复合材料来制造高效轻质结构的零部件具有重要的作用。

为了实现不同功能和结构要求，越来越多的高负荷承载件是由传统金属材料与纤维增强复合材料(FKV)结合起来进行制造的。纤维增强复合材料特别适用于制造那些需要承受水平张力的拉伸结构和平面结构。选用时需根据要制造的零部件的结构对单体材料组成(基体材料和纤维材料)和复合材料的形态结构(纤维角度、纤维体积含量、堆积态等)进行特定选择。利用纤维增强复合材料的优异性能，可实现对零部件结构受力状况的调整，同时对阻尼特性进行优化。金属材料适用于承受区域应力或复杂几何外形的结构或承受较高集中载荷的零部件［1］。

对零部件的附加功能要求，例如在扩散层密度、抗溶剂性以及抗流体磨损性或者抗腐蚀性等方面，纤维增强复合材料都很难满足，这成为大量高效轻型结构使用纤维增强复合材料(FKV)的一大障碍，不过混合多层复合材料(HMSV)可解决这一问题。有针对性地将纤维增强复合材料与金属材料功能层结合，纤维增强复合材料的特性将得到优化，从而使这种混合多层复合材料的特性能够满足各自的内应力要求和摩擦要求。

1 应用案例

现在，有关机构正在研究将纤维增强复合材料和金属材料相结合，制造混合多层复合材料，以薄板的形态用于新型轻型结构零部件的制造。例如，在现代涡轮喷气发动机的风扇叶片和导流叶片的表面涂覆金属钛(如图1(a)所示)。此外，混合多层复合材料也尝试用于制造旋转结构，例如轴。在非旋转部分，尤其是易破裂部件，也逐渐采用混合多层复合材料制造(如图1(b)所示)。

图1 在风扇和风扇叶片上涂覆金属钛做表面保护层

一个典型的例子是，由轻型结构和合成材料技术研究所(ILK)开发的一个非常轻的液压执行机构，将原先的油缸套替换成金属纤维增强复合材料，成功使用在航空飞行器上(如图2所示)。这个圆柱形的高压管由一个卷绕起来的碳纤维增强复合材料结构套和一个薄壁金属内胆构成。碳纤维增强复合材料结构套承受机械负荷;薄壁金属内胆作为滑动面，用于活塞密封以及作为扩散阻挡层，抵挡液压油对复合材料的腐蚀［1］。

图2 金属-纤维增强复合材料制造的液压执行机构

2 借助嵌入法制造混合多层复合材料

迄今为止，制造混合多层复合材料的方法是根据材料特性确定连接工艺，在最后一道工序涂覆金属保护层，或者更确切地说是用昂贵的涂装法。这种制造模式的难度在于:需要大量复杂的过程参数相互配合，其中包括定位、固定、粘合剂的涂覆以及出现的热感应耦合。特别是在复杂的几何外形上涂覆金属保护层，不但对涂覆过程本身提出了很高的质量要求，而且对于被涂覆的结构，在它的制造、准备和预处理过程中，也有很高的质量要求。当使用物理气相沉积法(PVD)或者化学气相沉积法(CVD)时，涂覆层在与基底复合后通常会产生很大的热应力。使用物理气相沉积法(PVD)对纤维增强复合材料进行涂覆时，虽然热应力会小一些，但是只能用于具有简单几何外形的复合材料。此外，无论是物理气相沉积法还是化学气相沉积法，都只局限于制造涂层厚度小于0.1mm的零件，因此这种方法通常不适合制造有耐磨要求的零件。只有通过开发和使用新的、有效的制造方法，才能明显降低现有的涂覆模式的成本［4］。

嵌入法是在材料合成的初始阶段，就将纤维增强复合材料(FKV)和薄壁金属构件进行结合(如图3所示)。

图3 嵌入法制造混合多层复合材料流程示意图［5］

于是，在合成材料的强化阶段，就可实现金属和聚合物的牢固黏结。嵌入法的优势在于:在金属构件与合成材料几何外形相互匹配时消耗明显降低，同时也可取消根据材料特性确定连接工艺这一额外步骤。由于化学上和物理上的相互影响，在这个高效而又十分复杂的制造过程中，注意力都会特别集中到纤维增强复合材料(FKV)与金属功能层的结合上［5］。

这个过程中所出现的课题有，从各个组分不同的热膨胀系数到在渗透阶段树脂-金属-边界层的物理化学相互作用以及边界层的形成和固化。

2.1 混合多层复合材料(HMSV)中的热感应内应力

用嵌入法制造混合多层复合材料(HMSV)(特别是使用热固性环氧树脂)，在复合材料冷却时，由于碳纤维增强复合材料(CFK)和金属面的热膨胀系数不同，会由于温度差而导致在结构中出现内应力。由此在生产阶段，就会出现结构件翘曲或者在两个组分间出现边界层翘曲［6］。

图4所示是非对称复合材料制造成HMSV板的典型例子，利用树脂传递模塑工艺(RTM)和平板模具，制作一块体积为300mm×300mm×2.5mm的测试板。CFK由一块斜纹2/2织物和一种通用的环氧树脂基上的渗透树脂制成，金属覆板为0.5mm厚度的不锈钢板。

图4 在脱模后出现热翘曲的HMSV板(CKF/钢)

在120℃的条件下，保温8h，完成反应树脂的时效硬化(如图5，6所示)。复合材料的详细规格见表1。

在脱模后，由于金属材料和纤维增强复合材料之间的热不均衡以及整个复合材料(HMSV)的各向异性结构，测试板出现了严重的翘曲。热翘曲程度可以利用非接触的光学测量系统ATOS进行测定。与水平面的偏差最高可达21mm(如图6(b)所示)。为了测定上述在金属覆板和CFK-衬底之间的内层扭应力，可利用程序设计系统ABAQUS对耦合温度变化进行计算，以此可以得出合成材料的热应力以及时效硬化温度与室温的温度差。计算时需要的合成材料的热参数和机械参数可从表2获得。

图5 用渗透工艺制造的HMSV板

图6 HMSV板的硬化周期

表1 HMSV测试板(CKF/钢)复合材料规格

表2 用于数值计算的织物增强CFK单层和金属覆盖层材料的热参数和机械参数

将测量所得的翘曲和计算所得的翘曲进行比对，显示出高度的一致性(如图7，8所示)。与树脂系统抗剪强度(53MPa)相比，计算得出的从CFK到金属的边界层的内层扭应力为25MPa，占了边界层近50%的负荷强度。

图7 计算所得的HMSV板(CFK/钢)热翘曲

图8 测量所得的HMSV板(CFK/钢)热翘曲

2.2 减小热感应内应力的解决方案

为减小引起翘曲的扭应力和拉应力，尝试在金属合成材料边界层中采用加入抗翘曲的柔性过渡层的方法，如图9所示。柔性过渡层的材料为各种传统的、热塑性的弹性塑料(TPE)。在实验中，使用巴斯夫(BASF)公司生产的热塑性聚氨酯(TPU)作为过渡层材料。因为在预实验中，要借助滚动剥离试验证实它对环氧树脂具有优异的附着强度。此外，选择TPU还基于这样一个观点，即在功能层被磨损的情况下，可以通过对支承结构的局部加热，磨损部位得到修复并形成一个新的功能层。

图9 有柔性过渡层的混合多层复合材料(HMSV)剖视图

因此，在HMSV内部使用TPU有助于改善循环利用性和适当降低维修成本。

为了详细地研究TPU涂层和渗入纤维增强复合材料之间的附着强度，首先要研究TPU涂层和未使用纤维增强的环氧树脂之间的粘附特征，以此得出不同的TPU类型和环氧树脂在同一个RTM平板模具中的溢出。使用反射式显微镜对边界层进行分析，在双方衬底中均可发现膨胀的扩散层(如图10所示)。

两个聚合物交错在一起的扩散层，可以通过傅里叶-变换-红外线光谱测量法(FTIR)或者通过

图10 TPU和环氧树脂之间的扩散层区域在反射式显微镜下拍到的照片

微压痕机械分析法得以确认(如图11所示)。

图11 使用FTIR-分析和微压痕法测定扩散层强度

从图11中可见，无论是化学分析法还是机械分析法，分析结果几乎是一致的。

借助反射式放大镜或者入射式放大镜对涂层强度进行判断。测得的涂层强度的数据见表3。通过对扩散区的边界层和主要强度分布的机械分析，将强度参数变化包括在混合多层复合材料的一系列计算中，既是可行的也是必要的。

表3 与时效硬化温度和使用的TPU-原料相对应的扩散层强度

为了验证弹性过渡层在减少混合多层复合材料(HMSV)中热内应力的效果，按照章节2.1的方法，再制造一块HMSV板，然后接着测量热翘曲。本次HMSV板的金属覆板内涂覆0.1mm厚度的TPU层，而整个复合材料的厚度保持不变。TPU弹性内应力通过实验测定，其数值的计算，在FE-系统ABAQUS使用VAN-DER-WAALS材料模式对实验数据进行调整。在此使用的模量参数μ0(原始强度)，λmax(最大可伸展性)，以及自由参数α和β，可以在表4中获得。

计算结果和实验结果都清楚地表明(如图12，13所示)，通过使用TPU作为过渡层，热翘曲和层间扭应力大约可以降低系数15%。同样清楚表明的是，聚氨酯的材料性能体现出高度的时间依赖性，所以计算得出的最大变形值和实验得出的最大变形值之间会有20%的差异。这归于热塑性弹性体的蠕变，在今后更精确的模量计算中应将这一点考虑进去。

表4 用于TPU的VAN-DER-WAALS材料模式的模量参数

图12 HMSV数值结果比较

图13 HMSV实验结果比较

3 结束语

混合金属材料-纤维增强复合材料，由于它可调节的性能特征，比起常规的各种金属材料以及单纯纤维增强复合材料具有很大的优势。首先，有针对性地使用纤维增强复合材料作为支承结构，并且以金属层作为功能层的功能组件，可以保证在轻型结构组件中有效地使用纤维增强复合材料，并且此结构组件也能在腐蚀介质和摩擦环境中使用。

从通常的连接法与涂层法发展出来的制造混合多层复合材料(HMSV)的嵌入法，通过选择使用适当的TPU过渡层，可以明显降低热感应翘曲和会导致产品失效的内应力。

通过将热时效增强的环氧树脂渗入到热塑性聚氨酯，可以形成一个明显的扩散层。扩散层强度的测定既可采用化学方法也可采用物理方法，结果具有很好的一致性。通过微凹痕法可以测定在扩散层中机械性能的变化。并且，可以通过这种变化，对过渡层存在失效公差的混合多层复合材料(HMSV)进行详细的数值计算。

对于一个对实践具有重要意义的混合多层复合材料的计划策略和设计策略，需要进行详细的研究。在这一方面，进一步研究与TPU的黏弹性和黏塑性有关的材料特性的材料模量具有重要的意义。此外，对于吸湿性和热效应对TPU长时间附着，以及对HMSV的附着强度和内聚强度的影响还要做进一步分析。

有一种观点认为，使用热塑性弹性体有可能修复HMSV的功能层。这一点可以作为进一步研究的课题。研究的焦点是，开发一种与实践相关的节能的修复方法，在局部加热后，修复大面积HMSV结构。

［1］ Ulbricht A.Zur Gestaltung und Dimensionierung von zylindrischen Leichtbaustrukturen in Faserkunststoff-Metall-Mischbauweise，Technische Universität Dresden，Dissertation，2011.

［2］ Red C.Composites in commercial aircraft jet engines.High Performance Composites，9(2008).

［3］ http://www.geae.com，2010.

［4］ Kienel G.Röll K.Vakuumbeschichtung:Band 2 Verfahren und Anlagen，Springer，1997.

［5］ Hufenbach W，Langkamp.A，Füßel R.Neue Methode für die Herstellung von Metall-Composite-Strukturen mit versagenstoleranter Zwischenschicht，12.Kolloquium Gemeinsame Forschung in der Klebtechnik，Frankfurt am Main，2012.

［6］ Gude M.Zum nichtlinearen Deformationsverhalten multistabiler Mehrschicht-verbunde mit unsymmetrischem Strukturaufbau，Technische Universität Dresden，Dissertation，2000.